[论文解读] VERITAS Observations of Globular Clusters

Michael McCutcheon|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 14

一句话总结

本研究利用VERITAS观测，调查了三个北天球球状星团（M15、M13 和 M5）的甚高能（VHE）伽马射线辐射，检验两种机制：毫秒脉冲星的累积直接发射，以及脉冲星风碰撞产生的逆康普顿发射。在600 GeV以上未检测到显著的VHE辐射，其上限限制了风碰撞模型，并表明这些星团中的脉冲星种群与当前观测结果一致，误差因子约为~10。

ABSTRACT

It has been postulated that globular clusters could be sources of Very-High Energy (VHE) gamma rays, powered by milli-second pulsars. This could be due to cumulative direct emission or to plerion-type emission driven by colliding winds. In particular the southern hemisphere globular cluster 47 Tuc has been singled out as a potential source in both models. In light of the recent detection by the Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) of 47 Tuc, the first detection of any globular cluster as a gamma-ray source, we present the results of observations of northern hemisphere globular clusters by VERITAS. Three globular clusters have been observed: M15, M13 and M5. Of these, M15 and M13 have been explicitly proposed as VHE gamma-ray sources and M5 possess similarities with them.

研究动机与目标

• 检验球状星团可能通过毫秒脉冲星的累积发射或脉冲星风碰撞激波发射VHE伽马射线的假设。
• 评估成像大气契伦科夫望远镜（IACTs），特别是VERITAS，对这类辐射的可探测性。
• 利用VHE通量的上限约束球状星团中毫秒脉冲星的种群数量。
• 评估观测到的通量上限与风碰撞模型理论预测的一致性。

提出的方法

• VERITAS使用2至4台望远镜对M15、M13和M5进行了393至900分钟的观测。
• 数据通过图像质量筛选：最小4个相邻像素，边缘像素电荷占比<20%，每幅图像光电子数>100个。
• 背景率通过反射区域法估算，其中 α = N_ON / N_OFF。
• 应用伽马-强子分离与立体重建技术，以识别大气簇射图像并提取源显著性。
• 在99%置信水平下，采用Helene方法计算通量上限，假设谱型为类似蟹状星云的幂律谱（Γ = -2.5）。
• 对于M15，由于调试期间缺乏完整模拟数据，通量基于同期蟹状星云观测进行缩放。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫秒脉冲星理论预测的辐射下，IACTs（如VERITAS）能否探测到球状星团的VHE伽马射线辐射？
• RQ2 在风碰撞模型下，观测到的通量上限在多大程度上限制了球状星团中毫秒脉冲星的数量？
• RQ3 M15、M13和M5的VHE通量上限与100个脉冲星、1%加速效率的理论预测相比如何？
• RQ4 未检测到信号是否意味着这些星团的累积直接发射机制被排除？
• RQ5 在风碰撞模型中，估算的通量如何随辐射密度和核心半径等星团属性变化？

主要发现

• 在600 GeV以上，M15、M13和M5均未检测到显著的VHE伽马射线辐射，相应检验统计量分别为-1.3σ、1.0σ和-0.3σ。
• M15在99%置信水平下的通量上限为1.1 × 10⁻¹² erg/s/cm²（高于600 GeV），相当于蟹状星云通量的1.6%。
• M13的通量上限为1.5 × 10⁻¹² erg/s/cm²（2.2% Crab），M5为0.4 × 10⁻¹² erg/s/cm²（0.6% Crab）。
• 在风碰撞模型下，最大允许的脉冲星种群数量（η = 1%）估计为：M15为53个，M13为36个，M5为30个。
• 这些限制表明，在假设发射参数较为乐观的前提下，这些星团中实际的脉冲星种群数量与已知计数结果一致，误差因子约为~10。
• 结果与假设一致：在风碰撞模型最有利的假设下，VERITAS无法探测到这些星团的VHE辐射。